CC BY
26
УДК 621.789-977
СТРУКТУРА ДЕФЕКТОВ ПРОКАТА И ИХ УДАЛЕНИЕ СКАЛЬПИРОВАНИЕМ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
ДЕМЕНТЬЕВ В. Б., ЗАСЫПКИН А. Д.
Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. Рассмотрены вопросы качества поверхностного слоя упрочненного проката, применяемого для изготовления деталей, испытывающих высокие нагрузки при эксплуатации. Наличие дефектного слоя на поверхности проката, расположенного в области обезуглероживания, обусловливает применение прогрессивного кольцевого режущего инструмента в процессе высокотемпературной термомеханической обработки с деформацией винтовым обжатием цилиндрических заготовок и построение термокинетических диаграмм для реализации совмещенных процессов. Необходимость данной технологической схемы вызвана постоянно повышающимися требованиями к качеству поверхности готовых деталей, изготавливаемых из горячекатаного сплошного и трубного проката, для высоконагруженных образцов техники. При обработке тел вращения в зависимости от диаметра и длины заготовок могут быть в ряде случаев найдены схемы обработки, имеющие преимущества даже перед точением. При проектировании нового оборудования для зачистки наружной поверхности цилиндрических заготовок целесообразной схемой обработки может быть обработка кольцевым инструментом в 1-2 прохода. Путь инструмента при изготовлении одной детали в этом случае минимален, ширина среза максимальна, надежность и стойкость инструмента высокие.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: структура стали, обезуглероженный слой, механические свойства, нагрев, деформация, охлаждение, скальпирование, показатели качества поверхности.
ВВЕДЕНИЕ
Наличие дефектного слоя на поверхности проката, применяемого в качестве заготовки для ответственных деталей, создает необходимость его полного удаления. При обработке тел вращения в зависимости от диаметра и длины заготовок могут быть в ряде случаев найдены схемы обработки, имеющие преимущества даже перед точением. Например, при проектировании станков-автоматов или автоматических линий по зачистке наружной поверхности цилиндрических заготовок наиболее целесообразной схемой обработки в ряде случаев может быть обработка кольцевым инструментом (скальпирование) в 1-2 прохода [1]. Путь инструмента при изготовлении одной детали в этом случае минимален, ширина среза максимальна, надежность и стойкость инструмента высокие, если инструмент изготовлен из быстрорежущей стали, поэтому производительность может быть обеспечена максимальная.
Также следует отдать предпочтение протяжке отверстий кольцевым инструментом по сравнению с расточкой, так как, применив быстрорежущий инструмент, можно обеспечить безотказность в работе, увеличить производительность за счет большой ширины среза и получить высокую стойкость инструмента за счет малого пути резания [1].
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
При изготовлении полых пальцев гусеничной ленты с применением в качестве упрочняющей операции высокотемпературной термомеханической обработки с деформацией винтовым обжатием (ВТМО ВО) [2], появляется проблема удаления обезуглероженного слоя, образующегося на поверхности горячекатаной (г/к) трубной заготовки при нагреве ее до температур аустенитного превращения. Величина обезуглероженного слоя определяется суммарным временем нахождения металла при высоких температурах (t > 800 °С), т.е. временем нагрева заготовки под деформацию, температурно-скоростным режимом деформации и скоростью охлаждения готового проката.
Применение при ВТМО нагрева токами высокой частоты (ТВЧ) значительно уменьшает обезуглероживание сталей, которое при нагреве до 1000 - 1100 °С практически отсутствует. При этом значительно уменьшается и окалинообразование, которое составляет в среднем 0,5 - 0,8 % от массы нагреваемого металла против 2 - 4 % при нагреве в пламенных печах. Можно считать, что при индукционном нагреве обезуглероживание в основном происходит в процессе нагрева, деформации и дальнейшего охлаждения нагретой заготовки. При этом на г/к заготовке присутствуют характерные дефекты проката, залегающие на глубину до 1,5 мм. На рис. 1 показана текстура поверхности заготовок после упрочнения.
Рис. 1. Текстура волокон по сечению трубной заготовки после ВТМО: а) внутренняя поверхность трубы, сильное перекручивание волокон от взаимодействия с оправкой; б) расположение волокон на внешней поверхности поперечного шлифа, х15
Кроме этого, в заготовке имеются такие поверхностные дефекты, как прокатные трещины, плены и т.п., расположенные в обезуглероженном слое на глубине до 1 мм [2]. На рис. 2 - 9 показаны различные виды прокатных дефектов, расположенных в обезуглероженном слое и структура стали 30ХГСН2А после ВТМО ВО.
Рис. 2. Трещины в частично обезуглероженном слое. Встречаются еще радиальные трещины. На внутренней поверхности наблюдается симметрично расположенный обезуглероженный слой, Х100
Рис. 3. Косые трещины в частично обезуглероженном слое наружной поверхности, Х100
Рис. 4. Трещины в обезуглероженном слое, оставшиеся от механической обработки. Обезуглероженный слой расположен несимметрично относительно оси отверстия. В трещинах виден чистый феррит, Х100
Таким образом, в заготовке после ВТМО образуются так называемые многослойные дефекты поверхностной зоны (рис. 8 - 9). Все они располагаются в зоне обезуглероживания.
Рис. 5. Трещины на внешней поверхности заготовки после ВТМО (деформация на оправке): а), б) - х15; в) - обезуглероженный слой вокруг трещины, Х100
Рис. 6. Структура стали 30ХГСН2А в заготовке после ВТМО, Х400, ИЯСэ 53,0-54,5
Рис. 7. Радиальные трещины на внутренней поверхности заготовки после ВТМО (деформация без оправки), х15
Рис. 8. Вид дефектов на внешней поверхности заготовки после ВТМО, Х100
Рис. 9. Многослойный дефект поверхностной зоны, Х100
Из сказанного выше следует, что для получения бездефектной упрочненной заготовки необходимо вводить операции удаления дефектного слоя после ВТМО на глубину 0,8 - 1,0 мм на сторону, шлифование после ВТМО на глубину 0,7 - 0,8 мм для наружной поверхности и удаление дефектов внутренней поверхности на глубину 0,5 - 0,8 мм в зависимости от расположения операции удаления в технологическом маршруте изготовления деталей.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Чтобы не производить удаление дефектов на упрочненной заготовке, изучалась возможность зачистки поверхности непосредственно в процессе ВТМО ВО. На основе анализа результатов исследований качества поверхности и методов упрочнения высоконагруженных деталей [2] определенный интерес представляют методы совмещения скальпирования с ВТМО ВО. Применение скальпирования горячей заготовки в процессе
ВТМО ВО обеспечивает снижение силы резания при обработке и дает возможность расширить поле применяемых силовых и скоростных режимов. Особенно эффективно применение скальпирования, когда имеется неравномерный припуск на диаметр по длине заготовки и неоднородность механических характеристик обрабатываемого материала, что характерно для заготовок из г/к проката. При этом происходит саморегулирование путем изменения толщины среза и сохранение постоянного нагружающего напряжения.
Особенностью же скальпирования внутренней поверхности трубной заготовки является еще и то, что кольцевой режущий инструмент (КИ) постоянно охлаждается закалочной жидкостью, что предотвращает налипание срезанного металла на инструмент. Это обеспечивает устойчивость и бесперебойность совмещенного процесса.
С применением для изготовления кольцевого инструмента материалов, сохраняющих требуемые свойства при температурах 900 - 1100 °С (температура деформации основных упрочняемых методом ВТМО материалов), появляется возможность совмещения двух методов обработки, что повышает качество поверхности готовых деталей за счет удаления обезуглероженного слоя и прокатных дефектов с поверхности заготовок. Построение термокинетических диаграмм совмещенных процессов упрочнения и механической обработки дает возможность выбирать скоростные и температурные режимы обработки для получения требуемых характеристик качества деталей (износостойкость, усталостная долговечность, коррозионная стойкость и т.п.). Диаграммы показывают связь температуры заготовки в процессе упрочнения с усилиями процесса скальпирования для правильного построения схем и режимов обработки.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Рассмотрим подробнее схему совмещенной обработки внутренней поверхности (рис. 10, а, б). Наряду с преимуществами, указанными в [1], новая схема позволяет снизить силу резания при скальпировании и повысить производительность обработки. На рис. 1, а показано исходное положение инструментов и заготовки. Работа установки начинается с включения переднего привода подачи 6 заготовки 1. После нагрева в индукторе 4 до температуры аустенизации АС3 заготовка набегает на кольцевой инструмент 3 и далее деформируется в роликах 5 на оправке 2 до требуемого размера. Охлаждение в спрейерных устройствах (наружном и внутреннем) 8 и 9 позволяет получать переменные механические свойства по сечению заготовки. Стружка 11 удаляется из отверстия трубы потоком жидкости, подаваемой из внутреннего спрейера 9 через каналы 10 конического переходника оправки и скальпирующей матрицы. Исследование качества внутренней поверхности [2] показали полное отсутствие дефектного слоя на внутренней поверхности обработанной трубы.
На рис. 10, б показано изменение температуры внутренней поверхности заготовки при индукционном нагреве по исследованиям, проведенным в работе [2] и изменения силы резания КИ Рх в зависимости от температуры 1. Учитывая, что сила резания в большей мере зависит от прочности материала (ов, о0,2), можно сделать заключение об идентичности кривых прочности и силы резания в зависимости от температуры поверхности заготовки [3, 4]. Заштрихованная область на рис. 10, б является возможной областью существования условий устойчивого протекания процесса совмещенной обработки скальпирование + ВТМО. При этом наименьшее значение силы резания будет в точке достижения заготовкой 1деф = 1000 оС, где Ов = О0,2 = 30 - 40 МПа [3, 4].
Определим силу резания при скальпировании в точке Мо, воспользовавшись методикой [4]:
Рх = Б ЕЬ,
где ЕЬ - суммарная длина режущей кромки; Б = р 8г кг/мм - сила резания на 1 мм длины режущей кромки; р - удельная сила резания в кг/мм2 (зависит от прочности материала); Бг - подача на зуб в мм.
Расчет проведем для углеродистой стали с НВ 197-229:
= 0,5 мм, тогда Б = 102,5 кг/мм.
р. ^. 2
Определим ЕЬ =-L, где 2С = Ъх = 1; Б - наибольший диаметр КИ, тогда
2 Л
Р = БрБ и Б = 15 мм, Рх = 102,5x3,14x15 = 4827,75 кг.
Расчет Рх необходим также для расчета условий неразрушения заготовки от растягивающих напряжений при 1деф = 1000 оС: ор < [ор].
Варьирование ор обеспечивается технологическим параметром в' < вР, где в' - угол подачи заготовки, оптимальный для выполнения условия прочности; вР - расчетный угол подачи заготовки. Учитывая, что Рх в точке Мо будет максимальной для всей области существования процесса, то, зная ее значение, можно производить расчет оборудования и инструмента для скальпирования + ВТМО ВО.
На рис. 11 представлена схема скальпирования наружной поверхности заготовки в процессе ВТМО ВО. Схема отличается от предыдущей наличием второго индуктора для предварительного нагрева заготовки перед матрицей с КИ, что несколько меняет характер кривых нагрева и силы резания.
Ii, "С (аеф М J К
1 ^^ —As 1
щ
// уубп -' 1 А/н
\ \2 к ЩЖ'/ Л
т- •"fu! J. ГЛ н
V--V-' II -V--
5000
2500
Р,- кг
б)
Рис. 10. Совмещенная схема ВТМО плюс скальпирование поверхности отверстия:
а) - исходное положение инструментов и заготовки;
б) - изменение температуры поверхности заготовки при индукционном нагреве и изменение силы
резания КИ в зависимости от температуры: I - нагрев; II - деформация; III - охлаждение плюс выдержка: 1 - внутренняя поверхность; 2 - наружная поверхность
г,°С
Рис. 11. Скальпирование при ВТМО наружной поверхности цилиндрической заготовки (а) и зоны обработки по длине заготовки (б):
1 - индуктор деформационного нагрева;
2 - кольцевой инструмент; 3 - индуктор нагрева под скальпирование; I - нагрев под
скальпирование; II - зона обработки КИ; III - нагрев под ВТМО; IV - деформация; V - охлаждение
Основными факторами, определяющими стабильность совмещенной обработки в этом случае будут: длина возможной зоны скальпирования 1 = 12 - Ь; разброс температур нагрева в первом индукторе 1;н = 1;н2 - ^1; разброс величины силы резания Рх = Рх1 - Рх2; глубина резания (подача на зуб КИ) 8г (мм); задний угол КИ а = а1 - а2; характеристики привода движения заготовки: Уо = Уо1 - Уо2 - осевая скорость; п = п1 - п2 - частота вращения заготовки. Режимы деформирования при ВО принимаются оптимальными для получения требуемого уровня механических свойств материала [2]. Условие стабильности процесса скальпирования + ВТМО в общем виде запишется как: Р(8г) < у(1, 1;н, Рх, а, Уо, п).
Проведение экспериментальных работ и обработка данных по методике [5] позволит получить аппроксимационную математическую модель процесса совмещенной обработки скальпированием + ВТМО наружной и внутренней поверхностей трубных и наружной поверхности сплошных заготовок, а также определить область силовых параметров процесса, позволяющую его осуществление.
В таблице представлен уровень механических свойств, формирующихся в сталях 38ХС и 30ХГСН2А при различных схемах обработки.
Таблица
Механические свойства стали 38ХС от степени деформации при ВТМО и температуры отпуска (опыты 1-6) и влияние схемы обработки на свойства стали 30ХГСН2А
(опыты: 7 - схема рис. 10; 8 - схема рис. 11)
№ п/п Марка стали 1ютп., °С 1, % ®0,2, МПа МПа 5, % ¥, % кси, МДж/м2 ИЯСЭ, ед.
1 38ХС 200 20 1586 1812 12,9 46,1 0,36 47...51
2 270 20 1428 1587 10,7 43,0 0,54
3 200 26 1571 1775 15,3 53,4 0,41
4 270 26 1448 1631 13,5 55,6 0,64
5 200 30 1603 1817 13,1 52,5 0,56
6 270 30 1501 1689 14,9 53,0 0,58
7 30ХГСН2А 200 25 1721 1879 13,3 63,5 1,11
8 200 25 1653 1837 14,2 56,0 1,21
ВЫВОДЫ
Таким образом, исходя из описанных выше методов удаления дефектного слоя с поверхности цилиндрических заготовок в процессе ВТМО можно заключить, что предложенные подходы к повышению качества изделий из проката имеют управляемый характер и могут позволить наряду с получением нового качества (повышения эксплуатационных свойств деталей машин) улучшить энергетические и экономические показатели процесса производства упрочненных заготовок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лоладзе Т. Н. Совершенствование процессов размерной обработки путем повышения качества режущего инструмента // Труды Шестого совещания по автоматизации процессов машиностроения «Автоматизация процессов точной отделочной обработки и транспортно-складских операций в машиностроении», г. Москва, 8-10 дек. 1976 г. Сост. В.М. Раскатов; под общ. ред. В.И. Дикушина. М.: Наука, 1979. С. 25-31.
2. Дементьев В. Б., Засыпкин А. Д. Теория и практика обработки глубоких отверстий в горячекатаной трубной заготовке. Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2014. 175 с.
3. Третьяков А. В., Трофимов Г. К., Гурьянова М. К. Механические свойства сталей и сплавов при пластическом деформировании. Справочник. М.: Машиностроение, 1971. 64 с.
4. Режимы резания металлов. Справочник / под ред. Ю.В. Барановского. М.: Машиностроение, 1972.
407 с.
5. Дементьев В. Б., Засыпкин А. Д. Прогнозирование долговечности полых валов и осей изделий сельхозмашиностроения // Тракторы и сельхозмашины. 2017. № 5. С. 58-64.
STRUCTURE OF ROCKS DEFECTS AND THEIR REMOVAL BY SCALPING AT HIGH-TEMPERATURE THERMOMECHANICAL TREATMENT
Dementyev V. B., Zasypkin A. D.
Udmurt Federal Research Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The article discusses the quality of the surface layer of hardened steel used for the manufacture of parts experiencing high loads during operation. The presence of a defective layer on the surface of the rolled product located in the decarburization area causes the use of progressive ring cutting tools (CI) in the process of high-temperature thermomechanical treatment (HTMC) with deformation by screw compression (BO) of cylindrical blanks and the construction of thermokinetic diagrams for the implementation of combined processes. The need for this technological scheme is caused by constantly increasing demands on the surface quality of finished parts (fingers of tracks of tracked vehicles, torsions, shafts and axles for various purposes, etc.) made from hot-rolled (hot-rolled) solid and tubular products for high-loaded equipment samples (high static and dynamic loads). When processing bodies of rotation, depending on the diameter and length of the workpieces, in some cases, processing schemes that have advantages even over turning can be found. For example, when designing a new equipment for stripping the outer surface of cylindrical billets, a machining process may be a 1 -2-pass annular tool (CI) treatment. The toolpath in the manufacture of one part in this case is minimal, the cut-off width is maximum, the reliability and durability of the tool are high if the tool is made of high-speed steel. Therefore, performance can be maximized. The level of the mechanical properties of the material (in particular steel 30HGSN2A) corresponds to the level of properties of structural steels with HTMT. The authors of the article recommend the use of this unique processing of responsible and heavily loaded machinery parts for a wide range of their purposes.
KEYWORDS: steel structure, decarburized layer, mechanical properties, heating, deformation, cooling, high-temperature thermomechanical treatment, scalping, surface quality indicators.
REFERENCES
1. Loladze T. N. Sovershenstvovanie protsessov razmernoy obrabotki putem povysheniya kachestva rezhushchego instrumenta [Improving the process of dimensional processing by improving the quality of the cutting tool]. Trudy Shestogo soveshchaniya po avtomatizatsii protsessov mashinostroeniya. Avtomatizatsiya protsessov tochnoy otdelochnoy obrabotki i transportno-skladskikh operatsiy v mashinostroenii [Proceedings of the Sixth Meeting on the automation of engineering processes. Automation of the processes of precise finishing processing and transport and storage operations in mechanical engineering]. Moscow: Nauka Publ., 1979, pp. 25-31.
2. Dement'ev V. B., Zasypkin A. D. Teoriya i praktika obrabotki glubokikh otverstiy v goryachekatanoy trubnoy zagotovke [Theory and practice of processing deep holes in hot rolled billet]. Perm: PNIPU Publ., 2014. 175 p.
3. Tret'yakov A. V., Trofimov G. K., Gur'yanova M. K. Mekhanicheskie svoystva staley i splavov pri plasticheskom deformirovanii. Spravochnik [Mechanical properties of steels and alloys during plastic deformation. Directory]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1971. 64 p.
4. Rezhimy rezaniya metallov. Spravochnik [Modes of cutting metals. Directory]. Pod red. Yu.V. Baranovskogo. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1972. 407 p.
5. Dement'ev V. B., Zasypkin A. D. Prognozirovanie dolgovechnosti polykh valov i osey izdeliy sel'khozmashinostroeniya [Forecasting the durability of hollow shafts and axles of agricultural machinery products]. Traktory i sel'khozmashiny [Tractors and agricultural machinery], 2017, no. 5, pp. 58-64.
Дементьев Вячеслав Борисович, доктор технических наук, руководитель Института механики УдмФИЦ УрО РАН, тел. (3412)202925, e-mail: demen@,udman.ru
Засыпкин Андрей Дмитриевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт механики УдмФИЦ УрО РАН, e-mail: [email protected]
